Einzelmoleküldetektionsmaschine zur Nukleinsäure-Analytik

In den modernen Life Sciences werden hochempfindliche Nachweissysteme immer wichtiger. Ziel ist, Biomoleküle mit höchster Sensitivität bei geringstem Probenverbrauch quantitativ nachzuweisen, um Krankheiten früher zu erkennen, neue Wirkstoffe schneller und sicherer zu finden, Umweltgifte zweifelsfrei aufzuspüren oder um Qualitätskontrollen in biologischen Prozessabläufen durchzuführen.

Für diese Einsatzbereiche haben Forscher des Fraunhofer FIT jetzt eine spezielle Einzelmoleküldetektionsmaschine (EMDM) entwickelt. Diese basiert auf einem hochsensitiven konfokalen Mikroskop – einer Eigenentwicklung des Instituts – und arbeitet mit Fluoreszenzdetektion.

Biomoleküle wie DNA, RNA und Proteine werden mit Fluoreszenzmarkern versehen und durch einen Laser zur Fluoreszenz angeregt. Diese Art des Nachweises ist nicht nur sehr empfindlich, sondern liefert auch eine Vielzahl an Informationen über die Art und das Verhalten der fluoreszenzmarkierten Biomoleküle.

»In jahrelangen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist es uns gelungen, eine eigene auf Einzelmolekülhelligkeiten basierende Analysemethode zu finden und diese in einen Algorithmus zu überführen. Mit dem resultierenden Verfahren kann die benötigte Information über das Molekül schneller und mit höherer Qualität gewonnen werden« so Prof. Dr. Harald Mathis, Leiter der Abteilung für Biomolekulare optische Systeme (BIOMOS) des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT und Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums SYMILA in Hamm-Lippstadt.

Die mit der EMDM nachweisbaren Konzentrationen an Molekülen erreichen mit 1 pg/µl (ein Billionstel Gramm pro Millionstel Liter) unvorstellbar geringe Werte. Zum Vergleich: Das System kann das Auflösen eines Stücks Würfelzucker in drei Millionen Litern Wasser nachweisen. Drei Millionen Liter Wasser entsprechen etwa der Füllmenge von 1,2 Olympia-Schwimmbecken mit 50 Meter Länge, 25 Meter Breite und zwei Meter Tiefe. Davon würde 1 Kubikmillimeter Wasser genügen, um den Test durchzuführen.

Aktuell wird die EMDM im Rahmen des Fraunhofer-Stiftungsprojekts Ribolution zur Qualitätskontrolle in der Nukleinsäure-Analytik eingesetzt, um hochsensitive Massenkonzentrationsbestimmungen von Nukleinsäuren durchzuführen. Die erreichte Sensitivität des Systems übersteigt die Sensitivität von auf UV-Absorption basierten Konkurrenzsystemen um Größenordnungen.

Zudem können mit dem System Messungen in einem Probenvolumen von <1µl durchgeführt werden, so dass aufgrund des geringen Probenverbrauchs Kosten eingespart werden können. Derzeit können sowohl DNA als auch RNA-Gemische quantitativ in einem Konzentrationsbereich von 1 – 1000 pg µl-1 bestimmt werden.

Die EMDM kann zudem hochsensitive Längenprofilvermessungen von Nukleinsäure-Gemischen durchführen. Zur präzisen Vermessung der Längenverteilungen wurde von Fraunhofer FIT ein offener Mikroelektrophorese-Chip (OMEC) entwickelt und in die Einzelmoleküldetektionsmaschine integriert. Der Chip ermöglicht die Vortrennung von Molekülen zur Analyse auf Einzelmolekülniveau.

Als weiteres Exponat wird die Bildanalyse-Software ZETA gezeigt. Diese wurde speziell zur High Content Analyse von im Live-Cell-Imaging-Verfahren gewonnener Bilddaten entwickelt, bei dem die Zellen über ihren gesamten Lebenszyklus beobachtet und aufgezeichnet werden. Durch offene Schnittstellen kann ZETA leicht in komplette High Content Analyse-Workflows integriert werden und Forscher in verschiedensten Einsatzbereiche in der Wirkstoffforschung unterstützen.